CCD와 CMOS, 전송방식의 차이

CCD 센서(Charge-Coupled Device)와 CMOS 센서(Complementary Metal Oxide Semiconductor)는 electron - 즉 photo sensitive area의 photon에 의해 생성된 ‘전하’를 출력단으로 어떻게 전송하느냐 하는 전송방식의 다름으로 구분합니다. 아래 그림은 그 차이에 대해 보여주고 있는데요.

위와 같이 CCD 센서는 photon에 의해 생성된 전하가 vertical / horizontal shift register를 통해 이동한 후, 최종 출력단에서 전기적 신호로 전환, 증폭되어 출력됩니다. 반면, CMOS 센서는 전하가 각 픽셀에서 CMOS transistor를 통해 바로 전기적 신호로 바뀌어 이 신호의 형태로 이동합니다.

이런 센서 구조의 차이에 따라 CCD는 비교적 정확한 전하량을 전달하지만 속도에 한계가 있고 부가 회로가 많이 필요하여 비용이 증가합니다. 그러나, CMOS는 전하량의 손실을 가져올 수 있고, 각 pixel 내에 여러 소자들이 집적화 되어있어 pixel당 실제 빛을 받아들이는 영역인 fill factor가 CCD에 비하여 상대적으로 작은 편입니다.

CMOS의 활동영역이 넓어진다.

전통적으로 CCD는 고품질, 고비용, 고전력소모의 특성이 있는 반면, CMOS는 CCD와 비교하여 저품질, 저비용, 저전력소모, 다기능 등의 특성을 가집니다. 그러나 반도체 노광기술의 발전으로 CMOS 센서의 화질이 개선되었고, 집적도와 저전력 설계로 인한 시스템 크기 감소 등 CMOS 센서의 개발이 활발히 이루어지고 있어 현재로썬 고가의 CMOS의 경우 두 센서간 화질 차이를 거의 찾아볼 수 없습니다. 따라서 현재는 전문가용 DSLR 카메라와 최근 Sony의 1,000만원이 넘는 고급형 DSLR 카메라에도 CMOS 센서를 사용하고 있습니다.

CMOS 센서는 각 픽셀에 몇 개의 CMOS transistor가 집적되어 있으냐에 따라 성능이 크게 달라지는데요. 픽셀 당 5개의 transistor가 사용된 Dalsa의 5T CMOS sensor는 대부분 3T에 rolling shutter를 사용하는 타사의 CMOS에 비해 고감도 일뿐 아니라 별도의 저장공간을 갖고 있어서 global shutter와 exposure control이 모두 가능합니다. 높은 프레임 속도, 빠르게 움직이는 물체, 짧은 시간 노출에는 5T 센서가 매우 유리합니다.

아래는 타사의 CCD, CMOS 그리고 Dalsa의 CMOS를 사용한 카메라들을 성능 비교한 Chart입니다.

DN2 값은 같은 밝기의 이미지를 시간차를 두고 2장을 찍어 두 장간의 각 동일위치의 Pixel 값을 뺀 후 제곱하여 평균을 내고 2로 나눈 값입니다. 이는 random noise 의 성능을 확인 할 수 있는데요. 측정 값이 범위 내에서 낮고 일정하게 나올수록 좋습니다.

결론적으로 반도체 공정과 회로기술의 발달로 CMOS의 잡음특성이 지속적으로 개선되고 있어 CMOS 센서의 활동 영역이 더욱 커질 것으로 보입니다. 각 어플리케이션별로 가장 적합한 구조, 방식을 택하는 지혜가 필요하겠는데요. low noise, high dynamic range가 필요한 어플리케이션에서는 CCD, high resolution, high speed가 중요한 성공포인트인 어플리케이션에서는 CMOS가 적합하다고 하겠습니다.

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